1. INTRODUÇÃO
1.3. PROPOSTAS DA TESE
Esta tese tem por objetivo propor um estudo acerca de estruturas de conversores de longa vida útil para o acionamento mais eficiente de LEDs de potência, visando aplicações em níveis de potência compatíveis com iluminação pública (geralmente acima de 70 W). Neste sentido, busca-se utilizar de técnicas sistemáticas para a síntese de topologias de drivers de dois estágios, com correção do fator de potência no primeiro estágio e, no segundo estágio, o controle atuando de forma a manter constante o valor médio da corrente dos LEDs.
Busca-se aumentar a eficiência de conversão elétrica dos drivers a partir da melhora da eficiência individual de cada estágio de processamento de energia, usando de conversão ressonante no estágio PC e topologias mais eficientes de PFC. Assim, visa-se obter drivers com 90% ou mais de eficiência global.
Como a vida útil efetiva do sistema de iluminação de estado sólido é de suma importância, busca-se nesta tese também a redução e otimização das capacitâncias mais avultadas empregadas nos circuitos de potência – como as de barramento ou filtragem da saída. Isto se faz para permitir o uso da tecnologia de capacitores de filme metalizado em detrimento de capacitores eletrolíticos de alumínio, visando garantir uma longa vida útil, compatível com aquela dos LEDs sendo acionados (50 mil horas, no mínimo).
Para viabilizar a otimização de parâmetros que podem contribuir ao aumento da vida útil através da redução de capacitância, propõe-se a caracterização estática e dinâmica da carga a ser acionada quanto às interações entre as grandezas térmicas, elétricas e fotométricas (caracterização fotoeletrotérmica). Visa-se estabelecer um limite prático, embasado por dados experimentais, de até qual nível pode ser aumentada a ondulação de corrente nos LEDs para minimizar os elementos de filtragem. Para isto, deverá ser analisada a influência dessa
ondulação de corrente no desempenho fotoeletrotérmico dos LEDs (fluxo luminoso, eficácia luminosa, temperatura, cromaticidade) e na possível geração de flicker2.
De posse das análises fotoeletrotérmicas que permitam otimização do projeto e das análises sistemáticas de conversores para compor os estágios PC e PFC, propõe-se a implementação de um conversor de alto fator de potência e alta eficiência, cujas características sejam adequadas para acionar módulos de LEDs de alta tensão e baixa corrente (vários LEDs individuais, de único chip, associados em série). Essa escolha é feita tendo em vista que a associação de vários LEDs em série faz com que a mesma corrente percorra todos os dispositivos. Portanto, teoricamente, todos os LEDs terão a mesma intensidade luminosa, supondo que a dissipação térmica esteja adequada em todos eles. Isto não só facilita o acionamento, eliminando a necessidade de equalização de corrente, como também implica em vantagens do ponto de vista da distribuição luminosa da luminária. Apesar de não ser o foco desta tese, é mais fácil obter um projeto de luminária eficiente que atenda aos requisitos de distribuição normatizados para iluminação pública (como, por exemplo, das normas NBR 5101 ou CIE 140) utilizando LEDs individuais distribuídos de forma adequada, em detrimento de módulos integrados de alta potência (como os LEDs chip-on-board, ou COB, que integram vários chips em um único encapsulamento, geralmente resultando em um dispositivo de alta corrente e baixa tensão), que exigiriam óptica adicional (por exemplo, lentes e refletores mais volumosos e ineficientes).
Na proposta de um conversor de acionamento com as características descritas, pretende-se priorizar as topologias que integrem os estágios de correção do fator de potência e controle de potência, reduzindo, assim, o número de semicondutores controlados, circuitos de medição e controle, e os respectivos circuitos de comando associados a cada interruptor estático. A integração de conversores estáticos pode ser obtida por meio de alguma técnica sistemática de integração (e.g., graft technique) ou por meio do aproveitamento de células de comutação que sejam comuns a ambos os estágios.
Ao fim, pretende-se analisar as possibilidades de controle digital do driver proposto, empregando um microcontrolador de baixo custo. Desta forma, será possível implementar facilmente algum grau de controle da intensidade luminosa (dimming) através da mudança da referência de corrente utilizando, por exemplo, a interface de comunicação serial do microcontrolador.
2 Utiliza-se o termo flicker para se referir à modulação de iluminância, seja ela visível diretamente –
2. CARACTERIZAÇÃO FOTOELETROTÉRMICA
2.1. INTRODUÇÃO
Como em todo estudo de desenvolvimento de técnicas de acionamento para sistemas de iluminação, a caracterização física da carga é de particular importância para se determinar parâmetros, características intrínsecas e regiões desejadas de operação. O mesmo acontece com o estudo dos circuitos de acionamento de LEDs de potência, cujos métodos têm implicações no desempenho térmico e fotométrico do sistema.
Sabe-se de estudos recentes (HUI & QIN, 2009; BENDER, 2012) que os parâmetros espectrais e fotométricos dos LEDs (como fluxo luminoso, eficácia luminosa, temperatura de cor, coordenadas cromáticas e espectro), que são as grandezas efetivamente de interesse no projeto de um sistema SSL, são extremamente dependentes dos aspectos térmicos (dissipação, temperatura ambiente e temperatura de junção) e elétricos (corrente de acionamento, potência dissipada e parâmetros elétricos do modelo equivalente). As análises que levam em conta as interações entre estes três grandes fatores se unificam sob o que é conhecido como caracterização fotoeletrotérmica.
Estas interações podem ser representadas qualitativamente como na Figura 2.1, na qual as influências positivas são aquelas que trabalham para aumentar um determinado parâmetro do sistema (por exemplo, o aumento da corrente direta causa um aumento na tensão direta, no fluxo luminoso e na potência dissipada) e as influências negativas trabalham para reduzir um determinado parâmetro (por exemplo, o aumento da temperatura de junção causa redução no fluxo luminoso e na tensão direta). O estado de regime fotoeletrotérmico de um sistema LED é resultado destas interações, que podem ser quantificadas a partir de modelos matemáticos que serão detalhados neste capítulo.
A caracterização fotoeletrotérmica pode ser seccionada em: a) uma análise estática, como proposta em BENDER et al. (2013a) e HUI & QIN (2009), que retorna os valores de regime estacionário para o fluxo luminoso e temperaturas de junção e do dissipador uma vez que o regime térmico é atingido para cada ponto de corrente média analisado e b) uma análise dinâmica, como proposto mais recentemente em BENDER et al. (2013b) e ALMEIDA et al., (2014a), que leva em consideração as perturbações de corrente em torno de determinado ponto de trabalho, as quais sempre ocorrem na prática com drivers conectados à rede elétrica
(i.e., ripple, ou seja ondulações de corrente), e qual sua influência no fluxo luminoso nominal, eficácia luminosa e na geração de flicker.
Figura 2.1 – Interações entre as grandeza térmicas, elétricas e fotométricas em um sistema de iluminação semicondutora (BENDER, 2012).
Se, por um lado, a análise estática é útil para o projeto eficiente do ponto de operação (i.e., corrente nominal, fluxo nominal) e dissipação de uma luminária LED, a análise dinâmica é de utilidade análoga para o projeto do driver, estabelecendo qual os limites de ondulação que o dispositivo pode impor aos LEDs sem que haja flicker ou degradação do desempenho.
Neste capítulo, ambas as análises (estática e dinâmica) serão investigadas quanto às suas implicações no projeto dos drivers para LEDs e sua possível contribuição na redução das capacitâncias empregadas nos conversores.
2.2. ANÁLISE ESTÁTICA
Para uma análise estática (i.e., em regime térmico e sob corrente constante, sem ondulação) do sistema LED-dissipador-ambiente, é necessário levar em consideração algumas características térmicas, elétricas e fotométricas intrínsecas dos LEDs.
Sabe-se que o modelo elétrico equivalente do LED quando operando acima do joelho da curva de polarização direta (apresentado no capítulo anterior, Figura 1.13 e Figura 1.14) consiste de uma resistência dinâmica (rd) em série com uma fonte de tensão de limiar (Vt) e um diodo ideal para representar a unidirecionalidade de corrente. Este modelo representa uma situação idealizada, onde nenhum destes dois parâmetros elétricos (rd e Vt) variam com a
temperatura. Para uma análise fotoeletrotérmica, no entanto, o efeito da temperatura deve ser levado em conta. Segundo GACIO et al. (2012), a resistência dinâmica apresenta uma variação com a temperatura que pode ser positiva ou negativa dependendo do LED empregado. No entanto, em geral esta variação é pequena o suficiente, podendo ser desconsiderada, implicando que rd é um parâmetro que pode ser tomado como constante para uma determinada gama razoável de temperaturas.
A tensão de limiar, no entanto, apresenta um comportamento bem conhecido e bem definido, decrescendo monotonicamente com o aumento da temperatura. Este efeito é mostrado na Figura 2.2. Segundo SCHUBERT (2003, p. 106), a taxa teórica de variação na tensão direta com relação à variação na temperatura de junção LED
j
dV dT
possui uma parcela
que é devida a mudanças na energia da banda proibida (bandgap energy), e esta energia (que representa uma barreira de potencial para a recombinação de portadores na junção) decresce na medida em que a temperatura aumenta em cristais semicondutores; em outras palavras, a diferença de potencial necessária de ser aplicada à junção p-n para estabelecer um fluxo de elétrons reduz com o aumento da temperatura, pois a barreira de potencial é reduzida. Existe, portanto, um coeficiente negativo de temperatura, que para cristais de GaN, por exemplo, tem o valor teórico de -1,76 mV/ºC (XI et al., 2004, apud SCHUBERT, 2003, p. 107); na prática, este valor pode ser ligeiramente diferente devido a não idealidades diversas.
Figura 2.2 – Efeito da temperatura na característica tensão versus corrente de um LED, evidenciando uma queda praticamente linear na tensão de limiar (BENDER, 2012).
Considerando que rd é um parâmetro constante, como já argumentado anteriormente, e que Vt decresce monotonicamente com a temperatura e que esta relação pode ser assumida
como linear, a tensão direta nos terminais do LED pode ser modelada matematicamente pela equação (2.1), na qual Tj é a temperatura de junção e T0 é uma temperatura de referência, sendo kv o coeficiente de variação da tensão de limiar com a temperatura, cujo valor é negativo. O segundo somando da equação – [Vt + kv(Tj-T0)] – representa a real tensão de limiar levando-se em conta o efeito da temperatura nos LEDs. Na temperatura de referência (Tj = T0), a tensão de limiar é a tensão Vt (nominal). Os parâmetros elétricos rd e Vt podem ser extraídos da curva característica tensão versus corrente dos LEDs, que é fornecida na folha de dados do dispositivo, para a temperatura de referência T0. O coeficiente kv em geral é dado também pelo fabricante, podendo, alternativamente, ser obtido experimentalmente.
0
( , ) ( )
LED LED j d LED t v j
V I T =r I +V k T+ −T (2.1)
Na Figura 2.3 é mostrada uma comparação do modelo dado em (2.1) com dados experimentais extraídos de SÁ JR. (2010), obtidos pelo autor para um LED Luxeon III Emitter LXHL-PW09. As curvas experimentais estão tracejadas e o modelo para as várias temperaturas é mostrado pelas linhas contínuas, com as cores correspondentes dos dados experimentais. Os parâmetros do modelo elétrico equivalente são rd = 0,78 Ω e Vt = 3,138 V, para uma temperatura de referência T0 = 20 ºC. O coeficiente térmico é kv = -2,5 mV/ºC.
Figura 2.3 – Curvas de tensão versus corrente de um LED de potência para várias temperaturas de junção – comparação entre o modelo matemático e dados experimentais.
A correspondência entre as curvas obtidas pelo modelo e os dados experimentas é razoavelmente boa dentro da região linear de operação dos LEDs (região a qual a equação
visa modelar), salvo as discrepâncias que começam a aparecer nos níveis extremos de temperatura, validando esta parcela da modelagem eletrotérmica composta pela equação (2.1).
Para obter um modelo eletrotérmico completo aproximado, é necessário também incluir o efeito da dissipação. Para tal, é utilizado um circuito térmico simplificado e em regime térmico do sistema LED-dissipador-ambiente, tal qual o mostrado na Figura 2.4. Neste modelo, Qth representa a potência térmica dissipada pelo LED, que é uma parcela da potência elétrica entregue ao dispositivo (uma vez que nem toda a potência é convertida em radiação luminosa). A resistência térmica entre a junção e o invólucro é Rth_jc, sendo esta um dado de catálogo do LED; a resistência térmica entre o invólucro e o dissipador, Rth_ad, representa a interface entre o LED e o dissipador externo, que pode ser um adesivo ou uma pasta térmica, por exemplo. A resistência térmica do dissipador é Rth_hs, que será menor quanto maior for a capacidade de dissipação deste elemento. A temperatura de junção (Tj) e a temperatura do dissipador (Ths) estão indicadas como tensões em nós do circuito térmico equivalente.
Quando vários LEDs são assentados em um mesmo dissipador, o circuito térmico equivalente prevê a representação em paralelo de várias fontes de potência térmica em série com as resistências térmicas junção-invólucro de cada LED (HUI & QIN, 2009; BENDER, 2012). Um dissipador comum aos LEDs é indicado por uma única resistência térmica Rth_hs, que deriva do nó comum de onde o calor Qth de cada LED é extraído, como é mostrado na Figura 2.5. Neste modelo, por simplicidade, todos os LEDs são considerados rigorosamente idênticos. Para um mesmo Rth_hs, quanto maior o número N de LEDs, maior será a temperatura no dissipador Ths, pois as contribuições de potência térmica de cada LED se somam no nó que representa a temperatura do dissipador.
Figura 2.5 – Circuito térmico para N LEDs idênticos assentados em um mesmo dissipador.
A fonte de potência térmica é representada como uma fonte de corrente controlada nos circuitos térmicos porque seu valor depende da potência elétrica do LED e da eficiência de conversão do LED de potência elétrica em potência luminosa (eficiência radiante). Os LEDs de potência costumam apresentar valores de eficiência radiante (ηh) em torno de 15% (HUI; QIN, 2009), podendo atingir até 53,3% em dispositivos mais modernos (LAUBSCH et al., 2010). Em laboratório, já foi medida uma eficiência radiante ηh = 27,3% para um LED OSRAM Dragon Plus LUW-W5PM (RODRIGUES et al., 2011). Para representar a relação entre os parâmetros elétricos e a potência térmica dissipada pelos LEDs, emprega-se a equação (2.2), onde kh é o complemento da eficiência radiante do LED em estudo, i.e., o quanto de potência elétrica é convertida em potência térmica (kh = 1 – ηh, e.g., kh = 85% no caso da eficiência radiante ser ηh = 15%).
th h LED LED
Q =k I V (2.2)
Utilizando as equações (2.1) e (2.2), é possível propor uma representação eletrotérmica em regime de um LED disposto em um dissipador. Este modelo é mostrado na Figura 2.6 e representa as interações entre o domínio térmico e o domínio elétrico, utilizando o modelo elétrico do LED levando-se em conta os efeitos da temperatura de junção na tensão de limiar, segundo a equação (2.1) (representados por uma fonte de tensão controlada por temperatura), os efeitos do sistema de dissipação (representados pelas resistências térmicas e a temperatura ambiente) e a potência térmica dissipada pelos LEDs como uma função da potência elétrica, segundo a equação (2.2).
Figura 2.6 – Modelo eletrotérmico completo aproximado para um LED assentado em um dissipador. Adaptado de BENDER et al. (2013b).
Resolvendo o circuito térmico para N LEDs (como na Figura 2.5), é possível encontrar a temperatura do dissipador e a temperatura de junção de cada LED, dadas pelas equações (2.3) e (2.4), respectivamente. A partir daí, utilizando (2.1), (2.2), (2.3) e (2.4) em conjunto, é possível resolver para a tensão terminal de um dos LEDs, resultando na equação (2.5), que descreve a curva elétrica característica de um LED levando-se em conta os efeitos da dissipação (resistência térmica do dissipador e o número de LEDs no mesmo dissipador) e da temperatura ambiente. _ hs amb th th hs T =T +NQ R (2.3) _ j hs th jc th T =T +R Q (2.4) 0 _ _ ( ) ( , ) 1 ( ) t d LED v amb
LED LED amb
LED h v th jc th hs V r I k T T V I T I k k R NR + + − = − + (2.5)
Uma vez que a parte eletrotérmica do modelo estático já foi obtida, é necessário correlacioná-la com a parte fotométrica, unificando assim as três interações fundamentais do sistema LED. Para tal, utilizam-se duas características fotométricas bem definidas dos LEDs de potência: a) a relação entre fluxo luminoso e corrente direta do LED sob temperatura de junção constante e b) a relação entre fluxo luminoso e temperatura de junção sob corrente direta constante. Ambas estas características são apresentadas comumente pelos fabricantes nas folhas de dados dos dispositivos, na forma de curvas para o fluxo normalizado, nas quais o valor de 100% de fluxo luminoso corresponde a um valor de temperatura de referência (T0) e corrente de referência (I0).
Sob temperatura de junção constante, o LED exibe um fluxo luminoso que cresce monotonicamente com a corrente direta, partindo do zero. A relação corrente versus fluxo luminoso pode ser considerada linear, caso seja desprezada a pequena influência do efeito conhecido como efficiency droop. Este efeito na prática faz com que o fluxo não cresça de maneira exatamente linear com a corrente devido a um decréscimo gradual na eficiência do LED com o aumento na injeção de corrente, cuja ocorrência não é relacionada com a temperatura de junção (KIM et al., 2007). A temperatura de junção escolhida nesta caracterização é uma temperatura de referência T0, dada pelo fabricante, tal qual aquela fornecida para a curva elétrica do LED.
Já sob uma corrente direta constante de referência (I0), o LED exibe um fluxo luminoso que decresce monotonicamente com o aumento da temperatura de junção, de maneira também praticamente linear. Na temperatura de referência (T0), o fluxo luminoso normalizado é considerado 100%. Abaixo desta temperatura, o fluxo normalizado é, portanto, maior que 100%, e acima desta temperatura o fluxo é menor que 100%.
Na Figura 2.7 são mostradas estas duas curvas características para um LED LUXEON Rebel branco frio, fornecidas pelo fabricante na folha de dados do dispositivo. Na Figura 2.8, são mostradas as aproximações lineares que podem ser feitas para estas curvas. Matematicamente, estas curvas de fluxo normalizado podem ser descritas pelas equações (2.6) e (2.7), respectivamente, onde d0 e d1, c0 e c1 são coeficientes das extrapolações lineares. Dado o comportamento característico do fluxo luminoso dos LEDs com o aumento de corrente e de temperatura, já discutido anteriormente, sabe-se que d0 pode ser considerado igual a zero, c0 será maior que a unidade (c0 > 1), d1 é um coeficiente angular positivo e c1 é um coeficiente angular negativo. Também se sabe que ΦI(I0) = ΦT(T0) = 1.
Figura 2.7 – Curvas características de fluxo luminoso normalizado: (a) sob temperatura constante e (b) sob corrente constante. Adaptado de LUMILEDS (2012).
Figura 2.8 – Curvas características idealizadas do fluxo normalizado para um LED utilizando uma aproximação linear: (a) sob temperatura constante e (b) sob corrente constante.
0 1 ( ) I ILED d d ILED Φ = + (2.6) 0 1 ( ) T Tj c c Tj Φ = + (2.7)
É importante enfatizar aqui que as hipóteses assumidas no modelo simplificado são de que d0 e d1 são constantes para toda Tj, e que c0 e c1 também são constantes para toda ILED.
A equação que unifica o comportamento fotoeletrotérmico do sistema pode ser obtida combinando (2.6) e (2.7) na forma de um produto, uma vez que ambas representam quantidades normalizadas e tem comportamento ortogonal relativo às variáveis temperatura de junção e corrente direta (i.e., existe uma dissociação entre as duas variáveis na descrição do fluxo normalizado através das duas equações independentes). É obtida assim a equação (2.8), que retorna o fluxo luminoso total de um conjunto de N LEDs; F0 é o fluxo de referência (nominal), que é fornecido pelo fabricante para a corrente de referência I0 e sob a temperatura de referência T0. Por exemplo, o LED LUXEON Rebel LXML-PWN1-0100 tem fluxo nominal F0 = 100 lm para uma corrente de teste I0 = 350 mA e sob uma temperatura de referência T0 = 25 ºC (LUMILEDS, 2012).
(
)
(
)
0 0 0 1 0 1 0 _ _ 0 0 0 1 0 1 0 0 0 _ _ 0 . . ( ). ( ) . . . . ( ) . 1 ( ) = Φ Φ = + + = + + = + + + + − − + LED I LED T j j LED amb th hs th jc h LED LED t d v amb LED h v th jc th hs I F N F I T N F d d c c T I I T NR R k I I I N F d d c c V r k T T I I I k k R NR I (2.8)As curvas típicas de fluxo luminoso em função da corrente dos LEDs são mostradas na Figura 2.9 (linhas contínuas), para três dissipadores de resistências térmicas diferentes, supondo seis LEDs LUXEON Rebel LXML-PWN1-0100 assentados no mesmo dissipador e uma temperatura ambiente de 25 ºC. As respectivas curvas de eficácia luminosa (lm/W) também são mostradas (linhas tracejadas), tendo sido obtidas dividindo-se o fluxo luminoso pela potência elétrica entregue aos LEDs em cada nível de corrente. Os parâmetros do LED foram extraídos de BENDER (2012). Pode-se notar a característica parabólica da curva e o efeito do aumento da dissipação (i.e., redução de Rth_hs), que faz com que o pico do fluxo luminoso (marcado por um X) aumente e desloque-se para níveis maiores de corrente. A eficácia luminosa efetiva é também maior para dissipadores com menor resistência térmica.
Fluxo luminoso, F (lm)
Eficácia luminosa (lm/W)
Figura 2.9 – Curvas estáticas teóricas de fluxo luminoso e eficácia luminosa, para três dissipadores diferentes.
A equação (2.8) compreende o núcleo da caracterização fotoeletrotérmica estática. A partir desta equação é possível, por exemplo, dimensionar o dissipador de um sistema com N LEDs para que o fluxo máximo seja atingido para determinada corrente de acionamento, otimizando desta forma o projeto térmico (i.e., do dissipador) para determinado projeto elétrico (i.e., do driver), como feito em BENDER (2012) e HUI et al. (2010).
Para validar experimentalmente a caracterização estática, foram testados 3 modelos de LEDs, com os respectivos dissipadores de cada módulo dimensionados tal que o fluxo máximo fosse atingido próximo de um nível de corrente nominal arbitrado para cada LED.
Cada módulo é composto de 6 LEDs de um único modelo associados em série. Com o objetivo de diversificar a análise, foram consideradas diferentes temperaturas ambiente para cada módulo de LEDs e também foram arbitradas 3 diferentes correntes de projeto para as